专利名称：一种无线传感器网络水质监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及水质监测检测领域，特别是涉及一种无线传感器网络水质监控系统。
背景技术：
目前，在实际工作中，水质监测的主要手段仍然是传统的实验室手工分析方法，这 种方法测试周期长、工作量大，不能实时监测水质参数。随着监测技术、计算机技术和无线 通信技术的发展，出现了许多湖泊监测类现场水质分析仪。这些仪器一般带有可充电电池 和存储芯片，使用时，实验员先把分析仪带往需检测的水域，使分析仪直接接触目标水体， 经过几秒钟的现场自动分析后，数据分析结果直接存进内部存储芯片，然后由实验员把分 析仪带回实验室，通过分析仪带有的通信接口(如RS232接口、无线红外等)将分析接口上 传给PC机。这些分析仪具有准确度高、可测量水质参数多、监测探头可安装可卸载可自由 组合等特点。但是即使使用这些分析仪，也不是非常方便，因为如果检测点在湖心，实验员 每次都要亲自到湖心操作和使用分析仪。因此需要一个完善的水质监测系统能够对水质实 时在线地进行监测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络水质监控系统，能够对水 质进行有效地实时监测，并具有安装方便，可靠性高，有较长的使用寿命等优点。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种无线传感器网络水质监控 系统，包括控制系统、传感器系统、电源系统、传输系统和架设系统，所述的控制系统分别与 所述的传感器系统、电源系统和传输系统相连；所述的控制系统用于控制传感器系统的电 源控制、传感器系统的采样、传感器系统的参数设置、传感器系统的电压检测、传感器系统 的低功耗管理和传输系统的发送接收；所述的控制系统由GPS模块读取精确的实时时间； 所述的电源系统分别与传感器系统和传输系统相连，采用太阳能供电系统，用于整个无线 传感器网络水质监控系统的电源供给；所述的传感器系统用于对水质进行采样；所述的传 输系统用于将数字信号转换为射频信号，利用无线传感器网络技术在湖面无线自组织的方 式构成网络，通过天线将数据发送；所述的架设系统用于为整个无线传感器网络水质监控 系统提供工程安装上的支持。所述的无线传感器网络水质监控系统的控制系统采用MCU控制单元作为核心，并 且对外接口均具有防静电功能；所述的控制系统还包括与所述的MCU控制单元相连的存储 器单元；所述的存储器单元用于存储传感器系统采集到的数据。所述的无线传感器网络水质监控系统的电源系统中包括与所述的传感器系统和 传输系统相连的电源管理单元，用于管理传感器系统和传输系统的供电；所述的电源系统 与所述的控制系统的接口处具有防过流和防反接功能。所述的无线传感器网络水质监控系统的传感器系统中的传感器包括光学探头和 清洗刷；所述的光学探头用于对水质的数据进行采集；所述的清洗刷安装在光学探头上，用于清洗光学探头。所述的无线传感器网络水质监控系统的传输系统采用二进制过滤的连续相位频率调制；所述传输系统的天线为全向天线。所述的无线传感器网络水质监控系统的架设系统包括固定桩和控制箱；所述的控制箱内集成有所述的无线传感器网络水质监控系统；所述的控制箱具有防雨、防尘功能，并 固定在所述的固定桩上；所述的传输系统的天线和控制系统的GPS天线固定在所述的固定 桩的最顶端；所述的供电系统的太阳能电池倾斜固定在所述的固定桩上。所述的无线传感器网络水质监控系统还包括防雷系统，所述的防雷系统的避雷针 安装在所述的架设系统的固定桩边上，并高于整个无线传感器网络水质监控系统。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果本发明通过控制系统内部的时钟和系统预设的采样周期定期获取水质传感器系统的 数据，利用无线传感器网络技术在湖面无线自组织的方式构成网络，将获取的传感器数据 通过多跳路由的方式将采集到的数据传输到数据处理中心，能够对水质进行有效地实时检 测。本发明中控制系统采用GPS模块读取精确的实时时间，并通过标准接口与传感器系统的接口连接，使得控制系统不仅可以直接读取传感器系统采集到的数据，还可以采用 周期性上报数据的方式读取传感器系统采集到的数据，实现方式相当灵活。在传感器系统 不需要进行采样时，电源管理单元可以将传感器系统的供电关闭，同样在传输系统不需要 进行数据传输时，电源管理单元可以将传输系统的供电关闭，以此最大程度的降低系统的 功耗。在传感器系统进行采样前，先对传感器的光学探头进行校准，再用清洗刷清洗光学探 头，可保证传感器系统采样信息的准确性。传输系统采用二进制过滤的连续相位频率调制， 具有很高的传输可靠性，使得系统可在恶劣的条件下进行工作。架设系统将原来的浮标式 架设方法改为现在的固定桩式的架设方法，避免了在湖面上的传感器系统受风浪长期作用 的破坏，并在固定桩边上设有防雷系统，提高整个系统的稳定性。
图1是本发明的结构框图；图2是本发明的工作流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。本发明的实施方式涉及一种无线传感器网络水质监控系统，如图1所示，包括控 制系统、传感器系统、电源系统、传输系统和架设系统，所述的控制系统分别与所述的传感 器系统、电源系统和传输系统相连；所述的控制系统用于控制传感器系统的电源控制、传感 器系统的采样、传感器系统的参数设置、传感器系统的电压检测、传感器系统的低功耗管理和传输系统的发送接收；所述的控制系统由GPS模块读取精确的实时时间；所述的电源系 统分别与传感器系统和传输系统相连，采用太阳能供电系统，用于整个无线传感器网络水 质监控系统的电源供给；所述的传感器系统用于对水质进行采样；所述的传输系统用于将 数字信号转换为射频信号，利用无线传感器网络技术在湖面无线自组织的方式构成网络， 通过天线将数据发送；所述的架设系统用于为整个无线传感器网络水质监控系统提供工程 安装上的支持。所述的控制系统采用MCU控制单元作为核心，配备丰富的接口资源，控制系统通 过标准接口与传感器接口连接，控制系统不仅可以通过标准接口直接获取传感器系统所采 集的数据，还可以通过标准接口对传感器控制、配置，控制系统采用周期性上报的方式将获 得的实时水质数据和参数发送到地面上的数据处理平台，数据处理平台可以根据用户需求 对数据进行处理，实现方式相当灵活。控制系统的对外接口均具有防静电功能；所述的控制 系统还包括与所述的MCU控制单元相连的存储器单元；所述的存储器单元用于存储传感器 系统采集到的数据。所述的电源系统采用太阳能电池供电系统，太阳能电池先将太阳能转换为电能， 再将电能存储在蓄电池中，其中，蓄电池的容量最好是大于17AH，这样保证在没有太阳能充 电的情况下(如出现连续的阴雨天气的情况)，仍然可以正常工作15天以上。该电源系统 还包括与所述的传感器系统和传输系统相连的电源管理单元，用于管理传感器系统和传输 系统的供电。在传感器系统不需要进行采样时，电源管理单元可以将传感器系统的供电关 闭，同样，在传输系统不需要进行数据传输时，电源管理单元可以将传输系统的供电关闭， 以此最大程度的降低系统的功耗，延长系统的使用寿命。所述的电源系统与所述的控制系 统的接口处具有防过流和防反接功能，提高电源系统的可靠性，保证整个无线传感器网络 在恶劣的环境下能够无故障运行。所述的传感器系统中的每一个传感器包括光学探头和清洗刷；所述的清洗刷安装 在光学探头上，用于清洗光学探头。其中，光学探头可以对水中的溶氧值、叶绿素、蓝绿藻、 DO值、PH值和浊度等数据进行采集。一般在传感器系统使用前需要对光学探头进行校准， 每次采样通过控制系统与传感器系统的接口控制协议，用清洗刷对光学探头进行清洗，保 证传感器采样信息的准确性。所述的传输系统采用二进制过滤的连续相位频率调制方式将数字信号转换为射 频信号，利用无线传感器网络技术在湖面无线自组织的方式构成网络，通过天线发送。传输 系统的功率可以根据不同的用户进行调节，最大功率为5W，发射频率一般控制在230MHz左 右。一般天线可以采用全向天线，其增益为8. 5DBi，当天线距离水面3米高的通视工作条件 下，传输距离可达14. 5公里，具有较高的可靠性。所述的架设系统包括固定桩和控制箱；所述的控制箱内集成有所述的无线传感器 网络水质监控系统；所述的控制箱具有防水、防尘功能，并固定在所述的固定桩上，使控制 箱内的系统能够可靠的工作；所述的传输系统的天线和控制系统的GPS天线固定在所述的固定桩的最顶端，一般GPS天线固定在相对比较空旷的区域；所述的供电系统的太阳能电 池倾斜固定在所述的固定桩上，其朝向为南方，倾斜的角度可以根据当地的纬度进行确定。 架设系统由原来的浮标式架设方法改为现在的固定桩式架设方法，避免了在湖面上的传感 器系统受风浪长期作用的破坏，提高了系统的可靠性。
所述的无线传感器网络水质监控系统还包括防雷系统，用于整个系统工作中的防 雷。所述的防雷系统的避雷针安装在所述的架设系统的固定桩边上，并高于整个无线传感 器网络水质监控系统，一般高于整个无线传感器网络水质监控系统2米左右即可。如此可 以避免设备在湖面恶劣天气下不受雷击的破坏，对整套系统的可靠性有较大提升。图2所示的是本发明的工作流程图。本发明采用低功耗设计，通过控制系统内部 的时钟和系统预设的采样周期定期获取水质传感器系统的数据，利用无线传感器网络技术 在湖面无线自组织的方式构成网络，将获取的传感器数据通过多跳路由的方式将采集到的 数据传输到数据处理中心。其具体步骤如下首先，为整个系统上电，并对各个系统中的模块进行初始化设置，如清空控制系统 中存储器的内容、设置采样周期等等。接着由控制系统通过GPS模块读取精确的实时时间， 并判断是否到了采样时间，如果没有到采样时间，整个系统进入休眠状态，并定时醒来，重 新由控制系统通过GPS模块读取精确的实时时间；如果到了采样时间，则控制系统向传感 器系统发出采样命令，此时电源系统的电源管理单元为传感器系统打开电源，传感器系统 中的各个传感器开始对水质进行采样，在采样前，需要对各个传感器的光学探头进行校准， 并由清洗刷清洗光学探头。控制系统判断是否到了发送接收时间，如果没有到，则整个系统 进入休眠状态，并定时唤醒，重新判断是否到了发送接收时间；如果到了发送接收时间，传 感器系统将采集到的数据发送到控制系统，控制系统可将数据存储在存储器中或直接将数 据传送到传输系统中，由传输系统将接收到的数字信号转换为射频信号，利用无线传感器 网络技术在湖面无线自组织的方式构成网络，通过天线将数据发送。在发送前，同样需要由 电源系统的电源管理单元为传输系统打开电源。在完成数据发送后，系统即可进入休眠状 态，并定时醒来，醒来后再由控制系统中的GPS模块读取精确的实时时间，继续对水质进行 监测。不难发现，本发明中控制系统采用GPS模块读取精确的实时时间，并通过标准接 口与传感器系统的接口连接，使得控制系统不仅可以直接读取传感器系统采集到的数据， 还可以采用周期性上报数据的方式读取传感器系统采集到的数据，实现方式相当灵活。在 传感器系统不需要进行采样时，电源管理单元可以将传感器系统的供电关闭，同样在传输 系统不需要进行数据传输时，电源管理单元可以将传输系统的供电关闭，以此最大程度的 降低系统的功耗。在传感器系统进行采样前，先对传感器的光学探头进行校准，再用清洗刷 清洗光学探头，可保证传感器系统采样信息的准确性。传输系统采用二进制过滤的连续相 位频率调制，具有很高的传输可靠性，使得系统可在恶劣的条件下进行工作。架设系统将原 来的浮标式架设方法改为现在的固定桩式的架设方法，避免了在湖面上的传感器系统受风 浪长期作用的破坏，并在固定桩边上设有防雷系统，提高整个系统的稳定性。综上所述，本 发明具有可靠性高、系统工作稳定、数据准确、传输可靠实时等优点。
权利要求
一种无线传感器网络水质监控系统，包括控制系统、传感器系统、电源系统、传输系统和架设系统，其特征在于，所述的控制系统分别与所述的传感器系统、电源系统和传输系统相连；所述的控制系统用于控制传感器系统的电源控制、传感器系统的采样、传感器系统的参数设置、传感器系统的电压检测、传感器系统的低功耗管理和传输系统的发送接收；所述的控制系统由GPS模块读取精确的实时时间；所述的电源系统分别与传感器系统和传输系统相连，采用太阳能供电系统，用于整个无线传感器网络水质监控系统的电源供给；所述的传感器系统用于对水质进行采样；所述的传输系统用于将数字信号转换为射频信号，利用无线传感器网络技术在湖面无线自组织的方式构成网络，通过天线将数据发送；所述的架设系统用于为整个无线传感器网络水质监控系统提供工程安装上的支持。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络水质监控系统，其特征在于，所述的控制系 统采用MCU控制单元作为核心，并且对外接口均具有防静电功能；所述的控制系统还包括 与所述的MCU控制单元相连的存储器单元；所述的存储器单元用于存储传感器系统采集到 的数据。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络水质监控系统，其特征在于，所述的电源系 统包括与所述的传感器系统和传输系统相连的电源管理单元，用于管理传感器系统和传输 系统的供电；所述的电源系统与所述的控制系统的接口处具有防过流和防反接功能。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络水质监控系统，其特征在于，所述的传感器 系统中的传感器包括光学探头和清洗刷；所述的光学探头用于对水质的数据进行采集；所 述的清洗刷安装在光学探头上，用于清洗光学探头。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络水质监控系统，其特征在于，所述的传输系 统采用二进制过滤的连续相位频率调制；所述传输系统的天线为全向天线。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络水质监控系统，其特征在于，所述的架设系 统包括固定桩和控制箱；所述的控制箱内集成有所述的无线传感器网络水质监控系统；所 述的控制箱具有防雨、防尘功能，并固定在所述的固定桩上；所述的传输系统的天线和控制 系统的GPS天线固定在所述的固定桩的最顶端；所述的供电系统的太阳能电池倾斜固定在 所述的固定桩上。
7.根据权利要求1-6任一权利要求所述的无线传感器网络水质监控系统，其特征在 于，所述的无线传感器网络水质监控系统还包括防雷系统，所述的防雷系统的避雷针安装 在所述的架设系统的固定桩边上，并高于整个无线传感器网络水质监控系统。
全文摘要
本发明涉及一种无线传感器网络水质监控系统，包括控制系统、传感器系统、电源系统、传输系统和架设系统，所述的控制系统分别与所述的传感器系统、电源系统和传输系统相连；所述的控制系统用于控制整个系统的运行；所述的电源系统还分别与传感器系统和传输系统相连，用于整个系统的电源供给；所述的传感器系统用于对水质进行采样；所述的传输系统用于将数字信号转换为射频信号，利用无线传感器网络技术在湖面无线自组织的方式构成网络，通过天线将数据发送；所述的架设系统用于为整个系统提供工程安装上的支持。本发明具有可靠性高、系统工作稳定、数据准确、传输可靠实时等优点。
文档编号G08C17/02GK101840628SQ20101016787
公开日2010年9月22日 申请日期2010年5月6日 优先权日2010年5月6日
发明者周璐巍, 巩思亮, 张唯易, 王营冠, 鲍星合 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所